電能質(zhì)量管理

1、電能質(zhì)量綜合治理一、電能質(zhì)量綜合治理概念電網(wǎng)用戶需要處理的電能質(zhì)量問(wèn)題，主要是功率因數(shù)問(wèn)題、諧波問(wèn)題以及電 壓瞬變問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題的治理手段有好幾種，比如電容補(bǔ)償、調(diào)諧補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)投切補(bǔ) 償、無(wú)源濾波、有源濾波等等。每種手段主要針對(duì)某個(gè)方面的問(wèn)題治理，但同時(shí)會(huì)影響到其他方面，或者會(huì) 產(chǎn)生不利影響，或者會(huì)有順帶的幫助作用。所以，治理電能質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)該把幾個(gè)方面一起考慮，免得分別治理的時(shí)候 彼此產(chǎn)生干擾沖突，或者重復(fù)浪費(fèi)。另外，高壓、中壓、低壓母線上的電能質(zhì)量問(wèn)題是彼此有影響的，比如在中 壓段設(shè)置了無(wú)源濾波來(lái)治理諧波，因?yàn)闊o(wú)源濾波技術(shù)同時(shí)具有補(bǔ)償效果，所以低 壓母線上的無(wú)功補(bǔ)償容量就應(yīng)該降低一些，

2、免得浪費(fèi)投資。所以，一個(gè)工程項(xiàng)目的高壓、中壓和低壓部分存在的電能質(zhì)量問(wèn)題也應(yīng)該綜 合設(shè)計(jì)免得重復(fù)浪費(fèi)。對(duì)功率因數(shù)、諧波、電壓瞬變問(wèn)題同時(shí)考慮，綜合設(shè)計(jì)統(tǒng)一的治理措施，對(duì) 高壓、中壓、低壓母線上的電能質(zhì)量問(wèn)題同時(shí)考慮，形成整個(gè)項(xiàng)目的綜合治理措 施，這就是電能質(zhì)量綜合治理的概念。電能質(zhì)量綜合治理的目的就是防止不同治理手段之間產(chǎn)生沖突，避免重復(fù)作 用造成浪費(fèi)，避免用高投資手段解決低投資手段可以解決的問(wèn)題，以盡量少的投 資，達(dá)到盡可能好的治理效果。二、產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題的原理無(wú)功功率的原理和解決方法：電動(dòng)機(jī)一類設(shè)備在磁場(chǎng)下工作，磁場(chǎng)在交流電下會(huì)不斷儲(chǔ)存和釋放電能，但 不會(huì)消耗電能，所以稱為無(wú)功功率。無(wú)功

3、功率雖然不會(huì)做功，但磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量的 時(shí)候會(huì)需要流入電能，釋放能量的時(shí)候又要流回去，這些來(lái)回流動(dòng)的能量占用了 線路、變壓器、開關(guān)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備的能力，不能充分發(fā)揮作用，而且還會(huì)增加 線路損耗。解決的辦法是就近設(shè)置電場(chǎng)類設(shè)備也就是電容器，電場(chǎng)在交流電下也不斷儲(chǔ) 存和釋放能量，但正好和磁場(chǎng)儲(chǔ)存和釋放能量的時(shí)間錯(cuò)開，于是，磁場(chǎng)儲(chǔ)存能量 的時(shí)候就正好來(lái)自電場(chǎng)釋放的能量，磁場(chǎng)釋放的能量也正好存進(jìn)電容器里去，無(wú) 功功率就近互相提供，不再經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)、變壓器、線路等系統(tǒng)設(shè)備了，這就是無(wú) 功補(bǔ)償原理。產(chǎn)生諧波的原理和不同諧波源諧波的解決方法：如果正弦交流電壓加在設(shè)備上，產(chǎn)生的電流卻不是正弦交流電流，這樣的設(shè) 備就

4、稱為非線性阻抗設(shè)備，簡(jiǎn)稱非線性設(shè)備。不是正弦波形的交流電就含有諧波 成分，所以非線性設(shè)備也稱為諧波源。諧波會(huì)導(dǎo)致設(shè)備發(fā)熱增加、產(chǎn)生附加負(fù)荷導(dǎo)致過(guò)載故障，引起線路干擾、還 會(huì)因?yàn)楣舱駥?dǎo)致設(shè)備中有諧振回路的部分損壞等等。工業(yè)電網(wǎng)中主要的諧波源有三種類型：三相橋式整流回路在每一相的正負(fù)波形上都會(huì)產(chǎn)生波形變化，一個(gè)周期里就 有六個(gè)非正弦的波形，所以稱為六脈波設(shè)備。六脈波設(shè)備的諧波很有規(guī)律，會(huì)產(chǎn) 生六的倍數(shù)加減1次數(shù)的諧波，即5、7、11、13、17、19次諧波，而且隨著 諧波次數(shù)升高諧波幅值會(huì)逐漸降低，所以通常只需要處理5、7、11、13次諧波。這類設(shè)備包括有三相橋式整流器的所有設(shè)備、比如直流驅(qū)動(dòng)器、

5、變頻器、軟 啟動(dòng)器，UPS電源等等，是目前工業(yè)用電設(shè)備中最常見的一類諧波源。六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，次數(shù)穩(wěn)定，可以用調(diào)諧技術(shù)濾除。類似工業(yè)電弧爐這樣的設(shè)備工作時(shí)，電流波形變化很頻繁，會(huì)分解出次數(shù)和 幅值不斷變化的諧波。這類諧波需要采用針對(duì)可變次數(shù)諧波進(jìn)行濾除的技術(shù)，比如有源濾波技術(shù)。非線性的單相設(shè)備，比如帶有單相整流環(huán)節(jié)的電子儀器等等，因?yàn)槿嗖粚?duì) 稱原因會(huì)在零線上形成3次零序諧波。零序3次諧波需要采用零序接法的濾除技術(shù)，比如四線制有源濾波，或者分 相式無(wú)源濾波技術(shù)。產(chǎn)生電壓瞬變的原因和解決：大容量電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)或者通過(guò)軟啟動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，由于啟動(dòng)時(shí)功率因數(shù)非 常低，會(huì)產(chǎn)生很大的無(wú)功電流，總電流

6、比正常運(yùn)行時(shí)高幾倍，在線路中產(chǎn)生很大 的瞬時(shí)電壓降，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓突然下降。一些負(fù)荷周期性沖擊變化的機(jī)械設(shè)備例如飛剪機(jī)等等，因?yàn)樨?fù)荷的變化，電 流也會(huì)大幅度周期性變化，導(dǎo)致系統(tǒng)電壓周期性變化，這種現(xiàn)象稱為閃變。電壓突降和電壓閃變都會(huì)給其他設(shè)備的運(yùn)行帶來(lái)干擾。兩種情況都和大量的短時(shí)無(wú)功電流有關(guān)，如果無(wú)功補(bǔ)償能夠及時(shí)投入和切除 就可以大幅度緩解。三、電能質(zhì)量問(wèn)題的治理手段單純電容補(bǔ)償。電容器可以補(bǔ)償電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的無(wú)功功率，以提高功率因數(shù)。但這些電容器會(huì)和變壓器形成諧振回路，而且隨著電容器投入切除，諧振頻 率會(huì)不斷變化，就有可能在某些投切比例下正好放大了系統(tǒng)中存在的諧波，造成 系統(tǒng)諧波超標(biāo)、電容器壽命縮

7、短甚至爆炸等等危害。因此，單純電容補(bǔ)償措施，在目前工業(yè)環(huán)境下已經(jīng)屬于應(yīng)該淘汰的措施。固定調(diào)諧電容補(bǔ)償。在補(bǔ)償電容器回路上附加電抗器，讓電容器和電抗器形成頻率固定的諧振回 路，并且讓這個(gè)頻率比系統(tǒng)中存在的所有諧波頻率都小，這樣不僅不會(huì)再放大諧 波，而且還具有一定的衰減作用。固定調(diào)諧補(bǔ)償是一種可以在有諧波存在的環(huán)境下運(yùn)行的無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)，同時(shí) 具有一定程度的諧波濾除作用。電容器和電抗器之間的阻抗比不同，諧振頻率就不同，產(chǎn)生的作用就也有差 別，常見的阻抗比有14%、12.5%、7%、5.67%四種。14%阻抗比的情況，對(duì)于3次以上的諧波都不會(huì)放大，但對(duì)各次諧波的濾除能 力最低，而且對(duì)3次零序諧波沒有濾

8、除作用。由于六脈波諧波源不產(chǎn)生3次非零序諧波，所以這種阻抗比不常用。12.5%阻抗比的情況，作用和14%的情況差不多，只是諧波濾除作用略微強(qiáng)一 點(diǎn)，也不常用。7%阻抗比的情況，對(duì)于5次以上的諧波都不會(huì)放大，并且具有一定的濾除作 用，大約可以濾除20%左右的六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，特別適合于只有六脈波 諧波源，且諧波問(wèn)題本來(lái)不嚴(yán)重的情況下，作為同時(shí)治理無(wú)功功率和諧波問(wèn)題的 綜合措施，也可以配合無(wú)源濾波或者有源濾波技術(shù)使用。5.67阻抗比的情況，對(duì)于5次以上的諧波都不會(huì)放大，而衰減作用更大，對(duì) 六脈波諧波源產(chǎn)生的諧波，可濾除40%到50%，但對(duì)電容器和電抗器的參數(shù)漂移有 一定要求，投資比7%阻抗比

9、的設(shè)備要高一點(diǎn)，適合于只有六脈波諧波源，固有諧 波成分輕微超標(biāo)的情況下，作為同時(shí)治理無(wú)功功率和諧波問(wèn)題的綜合措施，比如 變頻器一類設(shè)備占總?cè)萘勘壤?0%到40之間的應(yīng)用場(chǎng)合。固定調(diào)諧補(bǔ)償設(shè)備是在有諧波環(huán)境下工作的，元件上承受的電壓和電流都比 沒有諧波的情況高，所以，為單純電容器補(bǔ)償設(shè)計(jì)的電容器，以及不是專門為諧 波環(huán)境運(yùn)行設(shè)計(jì)的電抗器，都不能用來(lái)組成固定調(diào)諧補(bǔ)償設(shè)備。低、中、高壓系統(tǒng)都可以采用固定調(diào)諧補(bǔ)償技術(shù)。動(dòng)態(tài)投切技術(shù)。電容器切除后沒有放完電就再次投入，如果正好是電源電壓相位和電容器電 壓相反的瞬間，電容器上就會(huì)承受超過(guò)電網(wǎng)峰值的電壓，甚至達(dá)到峰值電壓兩倍 的過(guò)電壓，同時(shí)充電電流很大，會(huì)

10、損壞電容器。在電容器初充電期間，充電電流的最大瞬時(shí)值遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行情況，如果正 好在電流最大瞬時(shí)值的時(shí)候切除，也可能損傷電容器。因此，接觸器投切的電容器，投入和切除動(dòng)作之間必須有時(shí)間間隔。這樣，就做不到利用在無(wú)功功率快速變化的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)姆绞?，?lái)緩 解電壓瞬變了。利用品閘管配合觸發(fā)電路上的檢測(cè)判斷功能，可以在檢測(cè)到電源電壓與電容 器電壓接近的瞬間投入，或者在電容器充電電流過(guò)零時(shí)切除，能夠不受投切時(shí)間 間隔限制，達(dá)到快速投切的要求，這種方式稱為動(dòng)態(tài)投切。動(dòng)態(tài)投切用帶控制單元的品閘管作為投切開關(guān)，投資比接觸器投切要高。實(shí)際上并不需要把所有補(bǔ)償回路都設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)投切，只需要一部分補(bǔ)償回路 采用動(dòng)

11、態(tài)投切，利用自動(dòng)轉(zhuǎn)換方式，在靜態(tài)投切的電容器放電完成或者充電平穩(wěn) 之后，與動(dòng)態(tài)投切的電容器之間進(jìn)行交換，始終讓一半左右的動(dòng)態(tài)投切回路保持 投入，這樣，不論是需要投入還是切除補(bǔ)償回路，都可以利用動(dòng)態(tài)投切回路瞬時(shí) 執(zhí)行，達(dá)到動(dòng)態(tài)投切的效果，這種方式就是動(dòng)-靜結(jié)合投切技術(shù)。動(dòng)態(tài)投切技術(shù)目前只能用于低壓補(bǔ)償。無(wú)源濾波技術(shù)。無(wú)源濾波技術(shù)也稱調(diào)諧濾波技術(shù)，它本質(zhì)上仍然是調(diào)諧原理，只不過(guò)調(diào)諧頻 率從衰減端更加靠近需要濾除的諧波頻率，例如調(diào)諧頻率略低于250Hz的調(diào)諧回 路，能夠?yàn)V除大部分5次諧波，調(diào)諧頻率略低于350Hz的調(diào)諧回路，能夠?yàn)V除大 部分7次諧波等等，把能夠?yàn)V除大部分5、7、11、13次諧波的四個(gè)

12、分支回路組合 起來(lái)，就能夠?yàn)V除六脈波諧波源產(chǎn)生的大部分諧波。無(wú)源濾波技術(shù)適用于諧波源都是六脈波設(shè)備，諧波成分又嚴(yán)重超標(biāo)的情況。無(wú)源濾波和固定調(diào)諧補(bǔ)償一樣，基本回路都是由電容器和電抗器組成的調(diào)諧 回路，都同時(shí)具有濾波和補(bǔ)償功能。只不過(guò)固定調(diào)諧補(bǔ)償以無(wú)功補(bǔ)償為主，濾波 功能只是順帶有一些，而無(wú)源濾波以諧波濾除為主，順帶具有補(bǔ)償作用。無(wú)源濾波的調(diào)諧頻率很接近諧波頻率，因此要求調(diào)諧頻率非常精確，而且不 能明顯漂移，所以，對(duì)于設(shè)計(jì)計(jì)算能力，電容器和電抗器的質(zhì)量，以及參數(shù)漂移 的限制等都要高很多，所以投資明顯高于固定調(diào)諧補(bǔ)償，而且能夠掌握此技術(shù)的 制造商也遠(yuǎn)沒有固定調(diào)諧補(bǔ)償普遍。無(wú)源濾波技術(shù)雖然是很多諧波

13、治理廠商沒能掌握的技術(shù)，但對(duì)于掌握了此項(xiàng) 技術(shù)的廠商而言，卻是屬于成熟技術(shù)，其運(yùn)行可靠性是相當(dāng)高的。無(wú)源濾波技術(shù)既可以用于低壓系統(tǒng)，也可以用于中、高壓系統(tǒng)。有源濾波技術(shù)（ACF）。和無(wú)源濾波不同，有源濾波技術(shù)不是利用的調(diào)諧原理，而是利用有源逆變技 術(shù)，產(chǎn)生出諧波來(lái)和系統(tǒng)原有諧波抵消，得到濾波的目的。有源濾波需要實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)諧波情況，然后以有源逆變作為執(zhí)行手段，實(shí)時(shí) 產(chǎn)生反相位諧波去抵消系統(tǒng)諧波。所以，有源濾波技術(shù)實(shí)際上是一種自動(dòng)控制技術(shù)，不受調(diào)諧頻率限制，可以 濾除一定范圍內(nèi)的各次諧波，使用四線制的帶零序的有源逆變，還能夠?yàn)V除零序 三次諧波，而且，濾除諧波的程度，要比無(wú)源濾波更強(qiáng)，濾除得更干凈

14、。有源濾波同樣可以逆變出不同相位的基波成分來(lái)抵消基波無(wú)功電流，因此也 同樣具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪芰?。有源逆變的發(fā)生機(jī)制是實(shí)時(shí)的，可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功 率和濾除諧波，所以，有源濾波也能夠有效緩解電壓瞬變。所以，有源濾波從功能來(lái)說(shuō)，幾乎可以說(shuō)的萬(wàn)能的電能質(zhì)量治理手段。但有源濾波技術(shù)是一種復(fù)雜技術(shù)，投資成本遠(yuǎn)高于調(diào)諧技術(shù)，而且有源逆變 理論上還存在逆變顛覆的技術(shù)隱患，所以，有源濾波技術(shù)應(yīng)該用在調(diào)諧濾波技術(shù) 不能充分解決問(wèn)題的場(chǎng)合，不應(yīng)該作為諧波治理的首選手段。存在大量的非六脈波諧波源產(chǎn)生的變化諧波的場(chǎng)合，需要把諧波成分濾除得 特別干凈的場(chǎng)合，以及存在大量的3次零序諧波的場(chǎng)合，才是真正需要有源濾波 技術(shù)的合理

15、的應(yīng)用場(chǎng)合。另外因?yàn)樵蛩?，有源濾波目前還很難直接制造中壓以上的產(chǎn)品。中壓SVC技術(shù)。SVC技術(shù)也是一種調(diào)諧濾波技術(shù)，是調(diào)諧頻率可以動(dòng)態(tài)改變的調(diào)諧濾波技術(shù)的 總稱，分為兩個(gè)大類，一類是通過(guò)品閘管動(dòng)態(tài)投切調(diào)諧回路內(nèi)的電容器而電抗器 容量保持不變，使得回路諧振頻率動(dòng)態(tài)變化的TSC方式，另一類是通過(guò)品閘管動(dòng) 態(tài)投切調(diào)諧回路內(nèi)的電抗器而保持電容容量不變，使得回路諧振頻率動(dòng)態(tài)變化的 TCR方式。SVC技術(shù)用于在中壓環(huán)境解決諧波次數(shù)不斷變化的諧波濾除需求，是有 源濾波技術(shù)在中壓領(lǐng)域的一種替代技術(shù)。和有源濾波不同的是，能夠同時(shí)濾除的諧波次數(shù)受到設(shè)備回路數(shù)的限制，也 就是每一個(gè)回路雖然可以改變諧振頻率用于濾

16、除不同次數(shù)的諧波，但只能同時(shí)濾 除單次諧波，有幾個(gè)回路就只能同時(shí)濾除幾個(gè)單次諧波。SVC技術(shù)是利用品閘管串并聯(lián)方式進(jìn)行投切的，技術(shù)要求相當(dāng)復(fù)雜，投資成本 相當(dāng)高。因此，SVC技術(shù)是一種高成本的替代技術(shù)，用于彌補(bǔ)中壓系統(tǒng)不能使用有源濾 波技術(shù)的問(wèn)題，但其功能作用并不能完全替代有源濾波技術(shù)。四、不同電能質(zhì)量情況的治理建議電能質(zhì)量綜合治理要求把功率因數(shù)、諧波、電壓瞬變等問(wèn)題統(tǒng)一考慮，設(shè)計(jì) 治理措施。因此，針對(duì)幾種電能質(zhì)量問(wèn)題的不同組合情況，對(duì)應(yīng)的合理的治理手段組合 也應(yīng)該不一樣，不可能存在對(duì)任何情況都適用的組合。比如，目前的一種流行設(shè)計(jì)習(xí)慣是，以固定調(diào)諧補(bǔ)償作為改善功率因數(shù)的措 施，以有源濾波作為治

17、理諧波的措施，以一種組合方式應(yīng)付各種不同情況，就明 顯不符合綜合治理原則。這里，針對(duì)一些比較常見的電能質(zhì)量問(wèn)題的情況，提供一些綜合治理建議。有大量無(wú)功功率存在，沒有諧波或者只有極少量諧波的應(yīng)用情況，適合于 使用單純電容補(bǔ)償，以改善功率因數(shù)。在現(xiàn)在的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下，這種情況已經(jīng)不多。有大量無(wú)功功率存在，六脈波設(shè)備占總裝機(jī)容量20%以內(nèi)，沒有或者只有極 少量其他類型諧波源的情況，這時(shí)適合于采用阻抗比7%的固定調(diào)諧補(bǔ)償措施，在 防止諧波放大并且濾除部分諧波的情況下，解決無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題。對(duì)于低壓系統(tǒng)，如果同時(shí)有大容量電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)或者周期性沖擊負(fù)荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，固定調(diào)諧補(bǔ)償應(yīng)采用動(dòng)態(tài)投

18、切或者動(dòng)-靜結(jié)合投切方 式，以便在改善功率因數(shù)的同時(shí)緩解電壓瞬變。對(duì)于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問(wèn)題，可以把補(bǔ)償容量的一部分用 中壓SVC技術(shù)代替，其作用相當(dāng)于低壓的動(dòng)-靜結(jié)合投切方式。有大量無(wú)功功率存在，六脈波設(shè)備容量占總裝機(jī)容量20%至40%，沒有或者 只有極少量其他類型諧波源的情況，適合于采用阻抗比5.67%的固定調(diào)諧補(bǔ)償措 施，在防止諧波放大情況下解決無(wú)功補(bǔ)償問(wèn)題，同時(shí)濾除接近一半的諧波。對(duì)于低壓系統(tǒng)，如果同時(shí)有大容量電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)或者周期性沖擊負(fù)荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，固定調(diào)諧補(bǔ)償應(yīng)采用動(dòng)態(tài)投切或者動(dòng)-靜結(jié)合投切方 式，以便在改善功率因數(shù)和抑制諧波畸變的同時(shí)緩解電壓瞬

19、變。對(duì)于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問(wèn)題，可以把補(bǔ)償容量的一部分用 中壓SVC技術(shù)代替，其作用相當(dāng)于低壓的動(dòng)-靜結(jié)合投切方式。有大量無(wú)功功率存在，六脈波設(shè)備容量占總裝機(jī)容量50%及以上，沒有或者 只有極少量非六脈波諧波源和零序3次諧波源的情況，適合于采用無(wú)源濾波技術(shù) 濾除諧波，同時(shí)配合采用阻抗比7%的固定調(diào)諧補(bǔ)償措施，以補(bǔ)償剩余部分的無(wú)功 功率。對(duì)于低壓系統(tǒng)，如果同時(shí)有大容量電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)或者周期性沖擊負(fù)荷，因 此存在較大電壓瞬變的情況，其中的固定調(diào)諧補(bǔ)償應(yīng)采用動(dòng)態(tài)投切方式，以便在 改善功率因數(shù)和濾除諧波的同時(shí)緩解電壓瞬變，由于此時(shí)需要的固定調(diào)諧補(bǔ)償容 量因?yàn)闊o(wú)源濾波技術(shù)具有的補(bǔ)償能力而明顯減小，所以不適合再采用動(dòng)-靜結(jié)合投 切方式。和無(wú)源濾波配合時(shí)，固定調(diào)諧補(bǔ)償?shù)娜萘?，?yīng)該按達(dá)到目標(biāo)功率因數(shù)需要的 補(bǔ)償容量，扣除無(wú)源濾波的補(bǔ)償能力以后設(shè)計(jì)。對(duì)于中壓系統(tǒng)如果存在需要改善電壓瞬變問(wèn)題，可以用中壓SVC技術(shù)代替無(wú) 源濾波技術(shù)，這時(shí)SVC技術(shù)既起到濾波作用，同時(shí)又相當(dāng)于動(dòng)態(tài)投切補(bǔ)償，與固 定調(diào)諧補(bǔ)償措施組成類似于低壓系統(tǒng)的動(dòng)-靜結(jié)合投切方式。有大量無(wú)功功率存在，同時(shí)存在大